系统仿真及其在航空发动机仿真平台设计中的应用研究
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摘要
随着计算机科学和信息科学的快速发展，系统仿真已经成为现代设计与试验领域不可或缺的先进技术。本文在系统阐述面向对象设计、置信度评估、高性能计算等仿真相关知识的基础上，重点研究了基于HLA高层体系结构的仿真建模、仿真运行、仿真管理及一体化仿真环境等问题。同时，针对航空发动机的设计与试验特点，分析了相关的仿真需求、内容和难点，提出了建立航空发动机数值仿真平台的思路与方法，并给出了航空发动机仿真平台的设计方案。
本文根据航空发动机仿真平台组件的任务及功能，将平台的功能及工程模块划分为系统、应用、开发和支撑四个层次，并对涉及到的资源进行了合理配置。提出了仿真工具软件、仿真任务与仿真平台的集成方法，以及高性能计算环境与仿真环境的建立方法。
通过航空发动机控制系统仿真算例说明了仿真任务在平台上的开发和运行过程，证明了本文方案的可行性，并指出了设计开发HLA仿真系统应注意的问题。
With the development of the Computer Science and Information Technology, System Simulation has became a advanced technique in the fields of design and test. In this thesis, Object-Oriented Design, VV&A and HPC are introduced. Integrated Simulation Environment and HLA Simulation Modeling are investigated. Focused on the features and requirements of the aeroengine simulation, a plan of the simulation platform is proposed.
According to the role and function, engineering and function modules of the platform were compartmentalized to four layers. All the simulation resource is also distributed to the corresponding layers. A integration scheme is proposed to integrated the multi-domain simulation tools and the existing simulation application into the platform. Some advice is presented for building the environments of simulation and high performance computing.
Finally, how to develop a HLA simulation platform is discussed by using a example of Aeroengine Control system.
本文根据航空发动机仿真平台组件的任务及功能，将平台的功能及工程模块划分为系统、应用、开发和支撑四个层次，并对涉及到的资源进行了合理配置。提出了仿真工具软件、仿真任务与仿真平台的集成方法，以及高性能计算环境与仿真环境的建立方法。
通过航空发动机控制系统仿真算例说明了仿真任务在平台上的开发和运行过程，证明了本文方案的可行性，并指出了设计开发HLA仿真系统应注意的问题。
With the development of the Computer Science and Information Technology, System Simulation has became a advanced technique in the fields of design and test. In this thesis, Object-Oriented Design, VV&A and HPC are introduced. Integrated Simulation Environment and HLA Simulation Modeling are investigated. Focused on the features and requirements of the aeroengine simulation, a plan of the simulation platform is proposed.
According to the role and function, engineering and function modules of the platform were compartmentalized to four layers. All the simulation resource is also distributed to the corresponding layers. A integration scheme is proposed to integrated the multi-domain simulation tools and the existing simulation application into the platform. Some advice is presented for building the environments of simulation and high performance computing.
Finally, how to develop a HLA simulation platform is discussed by using a example of Aeroengine Control system.
引文
〖1〗 晨曦、白方周，“定性仿真技术及其应用”，2003年全国仿真系统学术年会特邀报告大会报告，2003年9月。
〖2〗 王行仁等．“先进仿真技术的发展与应用”，2003年全国仿真系统学术年会特邀报告大会报告，2003年9月。
〖3〗 Thomas Lucas, Robert Kerchner, John Friel,Daniel Jones, "A Guide for Analysis Using Advanced Distributed Simulation(ADS)" , MR -879-AF, Published 1997 by RAND, http://www.rand.org.
〖4〗 Robin Frost, " Simulation Based Acquisition An Ongoing Look[A] " , 98F-SIW-229.doc, http://www.siw.org.
〖5〗 李伯虎等，“SBA支撑环境技术的研究”，2003年全国仿真系统学术年会特邀报告，2003年9月。
〖6〗 " Simulation Based Acquisition:Concepts and Trends " , 20Feb02_Presentation_SBA.pdf, http://www .incose.org.
〖7〗 APTD仿真技术专业专家组，“APTD仿真技术研究近期工作计划”，2003年6月。
〖8〗 NSDP工程模块仿真需求调研报告(NSDP—F—G．03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年12月。
〖9〗 多媒体资料， " Animated Technical Overview of NPSS ", Computing & Interdisciplinary System Office , NASA Jhon Glenn Reseach Center,2001.
〖10〗 " NPSS- 1999 Industry Review " , NASA Glenn Research Center, http://www.aerospace.nasa.gov.
〖11〗 何江华，《计算机仿真导论》，科学出版社，2001年3月。
〖12〗 康凤举，《现代仿真技术与应用》，国防工业出版社，2001年9月。
〖13〗 王维平等，“面向对象仿真方法综述”， 国防科技大学学报，第 20卷第1期，1999年3月。
〖14〗 冯惠军、冯允成，“面向对象仿真综述”，系统仿真学报，1995年9月。
〖15〗 "Conceptual Model of the MissionSpace Informationpaper" , June 11,1998, DMSO.
〖16〗 Tim Rudoaph, "Conceptual Model of User Space",ESC Hanscom AFB, February 1997. http://www.hanscom.mil.
〖17〗 James.Rumbaugh Ivar.Jacobson Grady.Booch, "The Unified Modeling Language Reference Manual" ,http://www.omg.com.
〖18〗 Cris.Kobryn, "UML 2001: A Standardization Odyssey", COMMUNICATIONS OF THE ACM October 1999/Vol. 42, No. 10.
〖19〗 孟秀云、邢琰，“分布仿真的建模与验模研究”，计算机仿真，第18卷第1期，2001年1月。
〖20〗 袁崇义，《Petri网原理》，电子工业出版社，1998年4月。
〖21〗 王正中、屠仁寿等，《现代计算机仿真技术及其应用》，国防工业出版社，1991年3月。
〖22〗 黄柯棣等，《系统仿真技术》，国防科技大学出版社，1998年10月。
〖23〗 魏华梁、王肇敏等，“仿真置信度研究中的若干问题与准则”，系统仿真学报，第12卷第1期，2000年1月。
〖24〗 Alexopoulos C, "A Review of Advanced Methods for Simulateion Output Annlysis[C] ", Proceedings of the 1994 Winter Simulation Conference, 1994,133-140.
〖25〗 刘舒燕等，“系统仿真可信性评估理念与方法 武汉理工大学学报，第24卷5期，2002年5月。
〖26〗 黄柯棣、查亚兵，“系统仿真可信性研究综述”，系统仿真学报，第9卷第1期，1997年3月。
〖27〗 Dr.bipin Chadah, John Welsh, "Architecture Concept for Simulation-Based Modeling and Simulation System", Summer Computer Simulation Conference, July 2000.
〖28〗 Frederick Kuhl,Richard Weatherly, Judith Dahmann, "Creating Computer Simulation System:An Introduction to the high level Architecture", Pearson Education, inc,
〖29〗 周彦等，《HLA仿真程序设计》，电子工业出版社，2002年6月。
〖30〗 熊光楞，彭毅，《先进仿真技术与仿真环境》，国防工业出版社，1997年5月。
〖31〗 Henriksen, J. O., "The Integrated Simulation Environment," Operations Research, Volume 31, Number 6, pp. 1053-1073, November-December, 1983.
〖32〗 黄健等．“基于HLA的分布仿真环境KD-HLA的研究与应用”，2003年全国仿真系统学术年会特邀报告大会报告，2003年9月。
〖33〗 Maureen Cain, Jeff Meister "Coupled Aero-Thermal-Structural (CATS) Simulation Environment System Requirement" , Glenn Research Center, http://hpcc, grc.nasa, gov.
〖34〗 John A.Reed, Abdollah A.Afjeh, " Computional Simulation of Gas Turbines:Part1-Foundations of Component-Based Models,International Gas Turbine&Aeroengine", Congress&Exhibition,Indianapolis,Indiana, June 7-June 10,1999.
〖35〗 John A.Reed, Abdollah A.Afjeh, " Computional Simulation of Gas Turbines:Part2-Extensible Domain Framework, International Gas Turbine&Aeroengine", Congress&Exhibition,Indianapolis,Indiana, June 7-June 10,1999.
〖36〗 黄家骅、冯国泰，“航空发动机特性仿真技术的进展与展望”，推进技术，第23卷第4期， 2002年8月。
〖37〗 “NSDP仿真技术调研报告(NSDP—F—F．03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年12月。
〖38〗 “NSDP软硬件环境需求调研报告(NSDP—F—R．03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年12月。
〖39〗 都志辉、陈渝、刘鹏，《网格计算》，清华大学出版社，2002年11月。
〖40〗 I. Foster, C. Kesselman, S. Tuecke. "The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations". International J. Supercomputer Applications, 15(3), 2001BCluster Computing and the Grid, 2001. Proceedings. First IEEE/ACM International Symposium on, 2001, Page(s): 6 -7B.
〖41〗 I. Foster, C. Kesselman, J. Nick, S. Tuecke, "The Physiology of the Grid: An Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Integration", January, 2002, http://www.Globus.org/research/papers/ogsa.pdf.
〖42〗“NSDP相关规范说明(NSDP—G03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年10月。
〖2〗 王行仁等．“先进仿真技术的发展与应用”，2003年全国仿真系统学术年会特邀报告大会报告，2003年9月。
〖3〗 Thomas Lucas, Robert Kerchner, John Friel,Daniel Jones, "A Guide for Analysis Using Advanced Distributed Simulation(ADS)" , MR -879-AF, Published 1997 by RAND, http://www.rand.org.
〖4〗 Robin Frost, " Simulation Based Acquisition An Ongoing Look[A] " , 98F-SIW-229.doc, http://www.siw.org.
〖5〗 李伯虎等，“SBA支撑环境技术的研究”，2003年全国仿真系统学术年会特邀报告，2003年9月。
〖6〗 " Simulation Based Acquisition:Concepts and Trends " , 20Feb02_Presentation_SBA.pdf, http://www .incose.org.
〖7〗 APTD仿真技术专业专家组，“APTD仿真技术研究近期工作计划”，2003年6月。
〖8〗 NSDP工程模块仿真需求调研报告(NSDP—F—G．03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年12月。
〖9〗 多媒体资料， " Animated Technical Overview of NPSS ", Computing & Interdisciplinary System Office , NASA Jhon Glenn Reseach Center,2001.
〖10〗 " NPSS- 1999 Industry Review " , NASA Glenn Research Center, http://www.aerospace.nasa.gov.
〖11〗 何江华，《计算机仿真导论》，科学出版社，2001年3月。
〖12〗 康凤举，《现代仿真技术与应用》，国防工业出版社，2001年9月。
〖13〗 王维平等，“面向对象仿真方法综述”， 国防科技大学学报，第 20卷第1期，1999年3月。
〖14〗 冯惠军、冯允成，“面向对象仿真综述”，系统仿真学报，1995年9月。
〖15〗 "Conceptual Model of the MissionSpace Informationpaper" , June 11,1998, DMSO.
〖16〗 Tim Rudoaph, "Conceptual Model of User Space",ESC Hanscom AFB, February 1997. http://www.hanscom.mil.
〖17〗 James.Rumbaugh Ivar.Jacobson Grady.Booch, "The Unified Modeling Language Reference Manual" ,http://www.omg.com.
〖18〗 Cris.Kobryn, "UML 2001: A Standardization Odyssey", COMMUNICATIONS OF THE ACM October 1999/Vol. 42, No. 10.
〖19〗 孟秀云、邢琰，“分布仿真的建模与验模研究”，计算机仿真，第18卷第1期，2001年1月。
〖20〗 袁崇义，《Petri网原理》，电子工业出版社，1998年4月。
〖21〗 王正中、屠仁寿等，《现代计算机仿真技术及其应用》，国防工业出版社，1991年3月。
〖22〗 黄柯棣等，《系统仿真技术》，国防科技大学出版社，1998年10月。
〖23〗 魏华梁、王肇敏等，“仿真置信度研究中的若干问题与准则”，系统仿真学报，第12卷第1期，2000年1月。
〖24〗 Alexopoulos C, "A Review of Advanced Methods for Simulateion Output Annlysis[C] ", Proceedings of the 1994 Winter Simulation Conference, 1994,133-140.
〖25〗 刘舒燕等，“系统仿真可信性评估理念与方法 武汉理工大学学报，第24卷5期，2002年5月。
〖26〗 黄柯棣、查亚兵，“系统仿真可信性研究综述”，系统仿真学报，第9卷第1期，1997年3月。
〖27〗 Dr.bipin Chadah, John Welsh, "Architecture Concept for Simulation-Based Modeling and Simulation System", Summer Computer Simulation Conference, July 2000.
〖28〗 Frederick Kuhl,Richard Weatherly, Judith Dahmann, "Creating Computer Simulation System:An Introduction to the high level Architecture", Pearson Education, inc,
〖29〗 周彦等，《HLA仿真程序设计》，电子工业出版社，2002年6月。
〖30〗 熊光楞，彭毅，《先进仿真技术与仿真环境》，国防工业出版社，1997年5月。
〖31〗 Henriksen, J. O., "The Integrated Simulation Environment," Operations Research, Volume 31, Number 6, pp. 1053-1073, November-December, 1983.
〖32〗 黄健等．“基于HLA的分布仿真环境KD-HLA的研究与应用”，2003年全国仿真系统学术年会特邀报告大会报告，2003年9月。
〖33〗 Maureen Cain, Jeff Meister "Coupled Aero-Thermal-Structural (CATS) Simulation Environment System Requirement" , Glenn Research Center, http://hpcc, grc.nasa, gov.
〖34〗 John A.Reed, Abdollah A.Afjeh, " Computional Simulation of Gas Turbines:Part1-Foundations of Component-Based Models,International Gas Turbine&Aeroengine", Congress&Exhibition,Indianapolis,Indiana, June 7-June 10,1999.
〖35〗 John A.Reed, Abdollah A.Afjeh, " Computional Simulation of Gas Turbines:Part2-Extensible Domain Framework, International Gas Turbine&Aeroengine", Congress&Exhibition,Indianapolis,Indiana, June 7-June 10,1999.
〖36〗 黄家骅、冯国泰，“航空发动机特性仿真技术的进展与展望”，推进技术，第23卷第4期， 2002年8月。
〖37〗 “NSDP仿真技术调研报告(NSDP—F—F．03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年12月。
〖38〗 “NSDP软硬件环境需求调研报告(NSDP—F—R．03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年12月。
〖39〗 都志辉、陈渝、刘鹏，《网格计算》，清华大学出版社，2002年11月。
〖40〗 I. Foster, C. Kesselman, S. Tuecke. "The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations". International J. Supercomputer Applications, 15(3), 2001BCluster Computing and the Grid, 2001. Proceedings. First IEEE/ACM International Symposium on, 2001, Page(s): 6 -7B.
〖41〗 I. Foster, C. Kesselman, J. Nick, S. Tuecke, "The Physiology of the Grid: An Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Integration", January, 2002, http://www.Globus.org/research/papers/ogsa.pdf.
〖42〗“NSDP相关规范说明(NSDP—G03)”，西北工业大学数据处理中心，2003年10月。